Teoria VSEPR e geometria molecolare

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La teoria VSEPR spiega la geometria molecolare basandosi sulla repulsione tra coppie di elettroni di valenza. Le strutture di Lewis e la risonanza mostrano la distribuzione elettronica, mentre la polarità dipende dalla differenza di elettronegatività e dalla simmetria molecolare. Isosteri e polarità in molecole poliatomiche sono anche esaminati.

Riassunto

Schema

La Teoria VSEPR e la Geometria Molecolare

La teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) è un modello concettuale che prevede la geometria tridimensionale delle molecole basandosi sulla repulsione tra le coppie di elettroni di valenza. Questa teoria postula che le coppie di elettroni, sia quelle impegnate in legami covalenti che quelle non condivise (lone pairs), si dispongano attorno all'atomo centrale in modo da massimizzare la distanza reciproca, minimizzando così la repulsione e stabilendo una configurazione di minima energia potenziale. La geometria molecolare è influenzata dal numero di coppie di elettroni di valenza e si manifesta nella disposizione spaziale degli atomi e negli angoli di legame, che sono gli angoli formati tra due legami adiacenti che condividono un atomo comune.

Modelli molecolari tridimensionali con sfere colorate e aste su tavolo da laboratorio chimico, riflessi di luce su superfici lucide.

Strutture di Lewis e Risonanza

Le strutture di Lewis sono rappresentazioni bidimensionali che illustrano la distribuzione degli elettroni di valenza negli atomi di una molecola e i legami chimici tra di essi. Queste strutture sono fondamentali per comprendere la disposizione degli atomi e la distribuzione elettronica in una molecola. In alcuni casi, la struttura elettronica di una molecola non può essere adeguatamente descritta da una singola struttura di Lewis, ma piuttosto da un ibrido di risonanza, che è una sovrapposizione di due o più strutture limite. Questo fenomeno di risonanza stabilizza la molecola distribuendo gli elettroni del legame π e la carica elettrica su tutti gli atomi coinvolti, riducendo l'energia totale del sistema.

Polarità delle Molecole e Differenza di Elettronegatività

La polarità di una molecola è determinata dalla differenza di elettronegatività tra gli atomi coinvolti nei legami chimici e dalla simmetria della geometria molecolare. Nelle molecole diatomiche, come H2 e HCl, la polarità è diretta conseguenza della differenza di elettronegatività: molecole con atomi identici sono non polari, mentre quelle con atomi diversi sono polari. Nelle molecole poliatomiche, la polarità è il risultato della somma vettoriale dei momenti dipolari dei singoli legami. Molecole con una geometria simmetrica e atomi terminali identici sono generalmente non polari, poiché i momenti dipolari si compensano a vicenda. Al contrario, molecole con geometria asimmetrica o atomi terminali diversi sono polari a causa della risultante non nulla dei momenti dipolari.

Geometrie Molecolari Specifiche

La geometria molecolare può assumere diverse forme, che variano in base al numero di coppie di elettroni attorno all'atomo centrale. Ad esempio, una molecola con formula generale AX2, come il cianuro di idrogeno (HCN), presenta una geometria lineare. Una molecola AX3, come il trifluoruro di boro (BF3), ha una geometria planare triangolare. Una molecola AX2E, come il biossido di zolfo (SO2), ha una geometria angolare o a V. Le molecole AX4, come il tetrafluoruro di carbonio (CF4), adottano una geometria tetraedrica. Con l'aumentare delle coppie di elettroni, emergono geometrie più complesse come la bipiramidale triangolare per molecole AX5, come il pentafluoruro di fosforo (PF5), e l'ottaedrica per molecole AX6, come l'esametilene di zolfo (SF6). Queste configurazioni sono il risultato della tendenza delle coppie di elettroni a ridurre al minimo la repulsione reciproca.

Isosterismo e Polarità nelle Molecole Poliatomiche

Molecole o ioni poliatomici che hanno lo stesso numero di atomi e di elettroni di valenza, nonché una disposizione spaziale simile, sono definiti isosteri. Esempi di isosteri includono il biossido di zolfo (SO2) e l'ione nitrito (NO2-). La polarità nelle molecole poliatomiche è influenzata sia dalla geometria molecolare sia dalla distribuzione degli elettroni di valenza. Molecole con geometrie come quella angolare o piramidale triangolare, come l'acqua (H2O) e l'ammoniaca (NH3), sono polari perché presentano una risultante dei momenti dipolari non annullata. In contrasto, molecole con geometria simmetrica e atomi terminali identici, come il metano (CH4), sono generalmente non polari, in quanto i momenti dipolari individuali si annullano a vicenda.

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Teoria VSEPR e geometria molecolare

Teoria VSEPR

Coppie di elettroni di valenza

Le coppie di elettroni di valenza si dispongono attorno all'atomo centrale in modo da minimizzare la repulsione e stabilire una configurazione di minima energia potenziale

Geometria molecolare

Numero di coppie di elettroni di valenza

La geometria molecolare è influenzata dal numero di coppie di elettroni di valenza attorno all'atomo centrale

Angoli di legame

Gli angoli di legame sono gli angoli formati tra due legami adiacenti che condividono un atomo comune e dipendono dalla disposizione spaziale degli atomi

Strutture di Lewis e ibridi di risonanza

Le strutture di Lewis rappresentano la distribuzione degli elettroni di valenza e i legami chimici in una molecola, mentre gli ibridi di risonanza descrivono una sovrapposizione di più strutture limite per stabilizzare la molecola

Polarità molecolare

Determinanti della polarità

La polarità di una molecola è determinata dalla differenza di elettronegatività tra gli atomi coinvolti nei legami e dalla simmetria della geometria molecolare

Polarità nelle molecole diatomiche e poliatomiche

Molecole diatomiche

Nelle molecole diatomiche, la polarità è determinata dalla differenza di elettronegatività tra gli atomi coinvolti

Molecole poliatomiche

Nelle molecole poliatomiche, la polarità è il risultato della somma vettoriale dei momenti dipolari dei singoli legami

Geometrie molecolari comuni

Geometrie in base al numero di coppie di elettroni

AX2

Molecole con formula generale AX2, come il cianuro di idrogeno, presentano una geometria lineare

AX3

Molecole con formula generale AX3, come il trifluoruro di boro, hanno una geometria planare triangolare

AX2E

Molecole con formula generale AX2E, come il biossido di zolfo, presentano una geometria angolare o a V

AX4

Molecole con formula generale AX4, come il tetrafluoruro di carbonio, adottano una geometria tetraedrica

AX5

Molecole con formula generale AX5, come il pentafluoruro di fosforo, presentano una geometria bipiramidale triangolare

AX6

Molecole con formula generale AX6, come l'esametilene di zolfo, hanno una geometria ottaedrica

Isosteri

Molecole o ioni poliatomici con lo stesso numero di atomi, elettroni di valenza e disposizione spaziale sono definiti isosteri

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